Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод. Книга 1

Подождите немного. Документ загружается.

431

ПРИЛОЖЕНИЕ

П.1 Экспериментальные исследования высокоскоростного

вентильного двигателя с синхронной машиной индуктор-

ного типа

П.1.1 Общие замечания

При разработке высокоскоростного, мощного и широкоре-

гулируемого вентильного двигателя с естественной коммутацией

[13, 327] встает вопрос о рациональном выборе типа синхрон-

ной машины, которую можно было бы использовать в качестве

базовой для такого двигателя. Максимальные значения частоты

вращения и мощности вентильного двигателя могут достигать

соответственно 5000...6000 об/мин и 20...30 МВт .

Требуемая синхронная машина должна удовлетворять об-

щим и специальным техническим требованиям. К общим тре-

бованиям относятся: 1) наличие типовых электромагнитных па-

раметров; 2) бесконтактность; 3) высокая механическая надеж-

ность ротора и подшипниковых узлов; 4) возможность изготов-

ления машины на большую единичную мощность.

Основные специальные требования вытекают из условий

работы синхронной машины в качестве вентильного двигате-

ля с естественной коммутацией. К ним относятся: 1) доста-

точно низкие сверхпереходные индуктивные сопротивления,

зависящие от индуктивностей рассеяния обмоток якоря и

демпферной и определяющие индуктивное сопротивление

контура коммутации вентилей; 2) наличие последовательной

обмотки возбуждения (наряду с независимой) и возможность

ее непосредственного включения (без щеточно-контактного

узла) в звено постоянного тока преобразователя частоты; 3)

возможность установки в машине датчика положения ротора

встроенного типа; 4) технологичность в изготовлении, про-

стота и надежность в эксплуатации.

Рассматривались такие разновидности бесконтактных

синхронных машин, как классическая неявнополюсная син-

хронная машина с бесконтактным возбуждением на базе

432

кольцевого трансформатора, синхронные машины с когтеоб-

разным ротором, типа «сексин» и другие. Было отдано пред-

почтение синхронной машине, выполненной по индуктор-

ной одноименно-полюсной электромагнитной схеме с по-

стоянным потоком ротора и c одно- или двухпакетным сер-

дечником статора как наиболее полно отвечающей вышепе-

речисленным требованиям. Преимущество такой машины в

высокоскоростном исполнении заключается в повышенной

механической надежности массивного ротора, не несущего

обмотку возбуждения, и в сравнительной простоте его кон-

струкции.

П.1. 2 Вентильный двигатель с однопакетным и пазовым

якорем

Для оценки возможности работы индукторной синхрон-

ной машины в составе высокоскоростного вентильного дви-

гателя был спроектирован и изготовлен макет одноименно-

полюсной синхронной индукторной машины с одним сер-

дечником на статоре.

Номинальные данные макета

Мощность 5 кВт

Скорость вращения 9000 об/мин

Частота 300 Гц

Напряжение статора (фазное) 225 В

Ток статора (фазный) 10 А

Коэффициент мощности 0,9 (опер.)

КПД 0,8

Напряжение возбуждения 42 В

Ток возбуждения 6 А

На рис. П.1 приведен эскиз изготовленного макета, на

котором обозначены также основные элементы конструкции

и пути прохождения рабочего магнитного потока .

433

Рис. П. 1 Продольный разрез макетного образца индукторной син-

хронной машины: подшипниковый щит — 1, немагнитное подшип-

никовое гнездо — 2, надподшипниковая камера водяного охлажде-

ния — 3, обмотки смешанного возбуждения — 4, лобовый демпфер

— 5, массивный ротор — 6, пакет стали статора — 7, переходная

ферромагнитная втулка — 8, станина — 9, распределенная статор-

ная (якорная) обмотка — 10, аксиальные демпферы — 11

Макет изготовлен на базе пакета статора от серийного

асинхронного двигателя с 36 пазами полузакрытого типа.

Станина заимствована от машины постоянного тока. Ос-

тальные детали рассчитывались и специально конструирова-

лись из условий выполнимости и наилучшей продольной

компоновки.

Машина имеет кольцевые обмотки возбуждения, распо-

ложенные на статоре, и массивный ферромагнитный ротор

сравнительно простой формы. Рабочий магнитный поток в

этой машине проходит через рабочий



и паразитный



воздушные зазоры, через станину 9, ротор и ферромагнит-

ный подшипниковый щит. Посредством переходной сталь-

ной втулки 8 в стальную станину впрессован пакет электро-

технической стали, позволяющий менять тип обмотки стато-

ра макета в процессе исследований. В пазах пакета статора

уложена нормальная трехфазная распределенная обмотка.

434

Ротор изготовлен из массивной стальной болванки. В актив-

ной части он имеет два полюсных выступа и две полюсные

впадины. Впадины закрыты алюминиевыми обтекателями,

которые совместно с короткозамыкающими кольцами обра-

зуют успокоительную обмотку ротора по типу «беличьей

клетки». Лобовые части обмотки якоря снаружи охватывают-

ся медными кольцами, играющими роль лобовых демпферов.

Независимая и последовательная обмотки возбуждения объе-

динены в две катушки прямоугольного сечения, которые

размещаются на внутренних выступах подшипниковых щи-

тов. Катушки обмотки возбуждения крепятся на выступах

посредством медных колец, играющих роль аксиальных

демпферов. Подшипниковые щиты изготовлены из конст-

рукционной стали (ст.45). Шарикоподшипники экранируют-

ся от щитов немагнитными кольцами (гнездами). На под-

шипниковых щитах и снаружи станины находятся полости

водяного охлаждения.

Как известно [7], индукторные синхронные машины, прин-

цип действия которых основан на модуляции магнитного поля

в зазоре, по сравнению с синхронными машинами классическо-

го исполнения обладают повышенными в 2—3 раза индуктив-

ными сопротивлениями рассеяния обмотки якоря. Это приво-

дит к увеличению сверхпереходных индуктивных сопротивле-

ний машины и, как следствие, к нежелательному уменьшению

перегрузочной способности инвертора по току.

В машинах с магнитопроводящими подшипниковыми

щитами основной поток, замыкающийся по щитам, оказыва-

ет вредное воздействие на шарикоподшипники, в частности,

возможен их недопустимый нагрев.

В конструкции макета были предусмотрены меры, позво-

ляющие ему успешно работать от инвертора тока с естест-

венной коммутацией при высоких скоростях вращения. К

этим мерам относятся: 1) снижение индуктивных сопротив-

лений пазового и лобового рассеяния за счет применения

проволочных пазовых и массивных лобовых демпферов; 2)

снижение сверхпереходных индуктивных сопротивлений пу-

тем оснащения ротора короткозамкнутой дополнительной

обмоткой из алюминия; 3) увеличение интенсивности охлаж-

дения с помощью системы косвенного водяного охлаждения,

435

расположенной вблизи подшипников качения и на наружной

поверхности станины.

Пазовые проволочные демпферы представляют собой

многовитковые катушки, замкнутые накоротко, одни сторо-

ны которых уложены на дно паза, другие — размещены под

клином. Возникающие в них токи демпфируют поток пазо-

вого рассеяния в пределах высоты, занимаемой проводника-

ми статорной обмотки.

Макетный образец индукторной машины был эксперимен-

тально исследован по программе синхронного генератора, син-

хронного двигателя при питании от сети промышленной часто-

ты и вентильного двигателя при питании от инвертора тока.

Были сняты кривые напряжений и токов статорной об-

мотки при установившихся режимах, а также при переходе

от режима холостого хода к нагрузке. Осциллографирование

показало, что несмотря на достаточно высокую синусои-

дальность в кривой напряжения статорной обмотки при





имеет место вторая гармоника.

Были сняты характеристики холостого хода и короткого

замыкания, внешняя и регулировочная характеристики при

активной нагрузке. В режиме синхронного двигателя при пи-

тании от сети с частотой 50 Гц сняты

-образные характе-

ристики. Все кривые имеют вид, характерный для классиче-

ских синхронных машин.

Из опытов холостого хода, короткого замыкания, сколь-

жения и поворота ротора были определены индуктивные со-

противления схем замещения по осям

(рис. П. 2). В

опыте поворота ротора питание производилось со стороны

обмотки якоря. Таким образом, были получены сразу приве-

денные к обмотке якоря значения индуктивных параметров

обмоток возбуждения и успокоительных.

Следует заметить, что для индукторной машины подоб-

ного типа в схему замещения по оси

не входят параметры

обмоток и короткозамкнутых контуров, расположенных по

аксиальным путям прохождения основного магнитного пото-

ка . Так независимая и последовательная обмотки возбуж-

дения, аксиальные медные демпферы, аксиальные коротко-

замкнутые контуры массивных частей ротора, станины и

подшипниковых щитов не влияют на сверхпереходное ин-

436

дуктивное сопротивление по оси

. Таким образом, на сни-

жение 

можно воздействовать лишь посредством выпол-

нения на роторе достаточно мощной успокоительной обмот-

ки, как и в обычных синхронных машинах.

Из схем замещения по осям

следует, что индуктив-

ные сопротивления взаимоиндукции (

) незначи-

тельны по величине, хотя и удовлетворяют типовым значе-

ниям. Индуктивные сопротивления рассеяния обмоток воз-

буждения имеют повышенные значения, что обуславливает

большие постоянные времени независимой (

вн

= 1,268 с) и

последовательной (

вс

= 2,56 с) обмоток возбуждения. Это

характерно для индукторных машин.

Рис. П. 2. Схемы замещения макетного образца индукторной син-

хронной машины

437

Полные сопротивления при

= 4000 об/мин составили

(о.е.): синхронные

 0 6, ;

 0 5, ; сверхпереходные

 

0 233, ;  

0 349, ; коммутации



 0 285, .

При увеличении частоты тока в обмотке статора до

300 Гц сверхпереходные индуктивности уменьшаются на 6

, что ведет к улучшению работы вентильного двигателя.

Благодаря хорошо развитой успокоительной обмотке на

роторе макетный образец индукторной машины имел удов-

летворительный асинхронный пуск от сети под нагрузкой. В

вентильном режиме двигатель длительно работал под нагруз-

кой в номинальных условиях, не имея ощутимой вибрации и

недопустимых перегревов обмоток и подшипников. Угол

коммутации составил 20 град. при токовой перегрузке 1,8.

Выводы

1. Макетный образец высокоскоростной синхронной ма-

шины, выполненный по одноименно-полюсной схеме с по-

стоянным потоком полюса при 2

= 4, оказался пригодным

для использования в качестве вентильного двигателя.

2. Для снижения сверхпереходных индуктивных сопро-

тивлений индукторной синхронной машины, определяющих

перегрузочную способность вентильного двигателя, целесо-

образно применять конструктивные меры (демпферные кон-

туры, неглубокие пазы, беспазовая обмотка якоря), направ-

ленные на уменьшение полей рассеяния обмоток.

П.1.3 Вентильный двигатель с двухпакетным и беспазовым

якорем

Вариант с двухпакетным сердечником статора, по срав-

нению с макетом, рассмотренным выше, имеет следующие

достоинства: 1) отсутствуют паразитные воздушные зазоры 

что ведет к снижению МДС обмотки возбуждения; 2) под-

шипниковые щиты имеют меньшую массу и могут быть вы-

полнены из немагнитного материала; 3) отсутствует влияние

рабочего магнитного потока на работу подшипников. К не-

достаткам двухпакетной конструкции индукторной машины

относится увеличенная длина пазовой части обмотки якоря

примерно на 15...20%, что в такой же мере увеличивает ин-

438

дуктивное сопротивление пазового рассеяния, активное со-

противление и массу меди обмотки якоря.

Для выяснения возможности работы индукторной син-

хронной машины в качестве высокоскоростного вентильного

двигателя была спроектирована и изготовлена опытная мо-

дель одноименно-полюсной синхронной индукторной ма-

шины с двухпакетным сердечником статора и с беспазовой

обмоткой якоря.

Технические данные модели

Мощность на валу 7 кВт

Частота вращения 9000 об/мин

Число фаз 3

Число полюсов 4

Частота питания 300 Гц

Напряжение якоря 606 В

Ток якоря 5 А

Коэффициент мощности 0,9 (опереж.)

КПД 0,86

Масса 70 кг

Модель (рис. П.3) выполнена в габаритах и на базе ста-

нины и алюминиевых подшипниковых щитов машины по-

стоянного тока П32. Остальные детали рассчитывались и

специально конструировались из условий выполнимости и

наилучшей компоновки.

Рис. П.3. Одноименнополюсная синхронная индукторная машина с

двухпакетным сердечником статора: 1 — обмотки возбуждения (не-

зависимая и последовательная); 2 — станина; 3 — пакет статора; 4

— трехфазная обмотка якоря; 5 — пакет ротора; 6 — ротор; 7 —

вал; 8 — успокоительная обмотка

439

В целях снижения индуктивного сопротивления пазового

рассеяния трехфазная обмотка якоря из двух слоев провод-

ников диаметром 1,08 мм выполнена беспазовой и закрепле-

на на внутренней поверхности сердечника статора посредст-

вом эпоксидного компаунда. Толщина токового слоя обмот-

ки якоря — 4 мм, воздушный зазор между ротором и обмот-

кой якоря — 0,5 мм.

Ротор изготовлен из массивной стальной поковки (ст.

45). В активной части он имеет два полюсных выступа и две

полюсные впадины. Впадины закрыты дюралевыми обтека-

телями, снижающими вентиляционные потери и шумы. Об-

текатели с торцевыми короткозамыкающими кольцами обра-

зуют демпферную обмотку ротора, служащую для уменьше-

ния сверхпереходных индуктивных сопротивлений. Как от-

мечалось выше, снижение индуктивного сопротивления рас-

сеяния обмотки якоря и сверхпереходных сопротивлений

положительным образом сказывается на работе вентильного

двигателя — повышается кратность перегрузки по току и

моменту.

Подшипниковые щиты выполнены из немагнитного ма-

териала — силумина.

С целью лучшего воздушного охлаждения обмоток возбу-

ждения и якоря были предусмотрены сквозные аксиальные

вентиляционные каналы для принудительной воздушной

вентиляции.

Как известно [7], индукторные синхронные машины,

принцип действия которых основан на модуляции магнитно-

го поля в зазоре (униполярные), по сравнению с синхрон-

ными машинами классического исполнения (гетерополяр-

ными) обладают повышенной массой и увеличенными в

1,5—2 раза индуктивностями рассеяния обмотки якоря. Эти

показатели зависят от степени модуляции магнитного поля.

В опытной модели модуляция магнитного поля при высоком

значении максимальной индукции в воздушном зазоре

(

max

  115, Тл) была такой, что амплитуда первой гармо-

ники индукции была близка к типовой для обычных син-

хронных машин (



0 68 , Тл). Относительно высокие

значения магнитной индукции в зазоре удалось достичь оп-

тимальным проектированием магнитной цепи и геометрии

активной части ротора при использовании беспазовой об-

440

мотки якоря. В этом случае нет ограничения по насыщению

зубцов и максимальная индукция в рабочем воздушном зазо-

ре может быть предельной, определяемой насыщением стали

всей магнитной цепи, близкой к 1,0—1,2 Тл.

Добротность магнитной цепи можно оценить по значе-

нию максимальной индукции в зазоре и МДС, необходимой

для ее создания.

Применение беспазовой обмотки оказалось весьма эф-

фективным именно для индукторных синхронных машин

рассматриваемого типа, так как выводит их на уровень клас-

сических машин по использованию активных материалов

магнитной цепи и обмотки якоря.

Отсутствие зубчатости сердечника на статоре ведет также к

гладкости фазной и линейной ЭДС обмотки якоря и устране-

нию зубчатых потерь. При этом нет проблемы залипания рото-

ра при пуске, повышается плавность его вращения и отсутству-

ет магнитный шум. Применение беспазовой обмотки якоря

уменьшает не только индуктивное сопротивление рассеяния

обмотки якоря, но и, ввиду увеличенного немагнитного зазора

между сердечниками ротора и статора, размагничивающее дей-

ствие реакции якоря при опережающем характере тока якоря.

Это способствует повышению статической и динамической ус-

тойчивости вентильного двигателя.

В опытной модели выявлено, что при данной геометрии

поперечного сечения активной части ротора

x x

q d

 . Этот

факт также положительно влияет на устойчивость работы

вентильного двигателя и, как показывают расчеты и опыт-

ные исследования, уменьшает положительный статизм меха-

нических характеристик.

Для опытной модели индуктивные параметры имеют сле-

дующие величины (о. е.):

1

0 06 , ;

 0 23, ;

 0 3, ;

 

0 087, ;  

011, . Эти параметры снимались при частоте

50 Гц. Однако при увеличении частоты тока в обмотке якоря

до номинальной (

1н

= 300 Гц) сверхпереходные индуктивно-

сти падают вследствие поверхностного эффекта, как показы-

вает опыт, на 6 %, что ведет к улучшению работы вентиль-

ного двигателя.

У беспазовой обмотки есть недостаток — увеличенное

значение МДС обмотки возбуждения из-за повышенной ве-

личины немагнитного зазора между сердечниками ротора и